手持技術在化學理論課堂的應用研究

王璽

摘 要：隨著手持傳感技術的引入，在化學理論課上落實核心素養有了新的方法，通過不同手持傳感器的數據采集，讓化學理論課從傳統教學中得以改進，從粗略到精細的探究過程，從無形到有形的感受過程，從知識告知到數據體會結論，整個學習過程培養學生科學探究意識，宏微結合思想以及證據推理的能力，與傳統教學相比可以將微觀變化以圖像形式表達，突破理論課的難點，讓學生感受真實的化學變化，很好落實了核心素養。

關鍵詞：手持技術;傳感器;化學理論課;核心素養

近年來，隨著《普通高中化學課程標準》提出的包括“宏觀辨析與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“實驗探究與創新意識”“科學精神和社會責任”等五個要素的高中化學核心素養（簡稱“化學核心素養”），教師圍繞化學核心素養展開教學和研究，如何在課堂教學中實現化學核心素養的落實成為實現課堂有效性的標準。在化學教學課堂中中學化學理論主要指化學知識中的基本概念理論的形成及理解和應用化學概念是將化學現象、化學事實經過比較、綜合、分析、歸納、類比等方法抽象出來的理性知識，它是已經剝離了現象的一種更高級的思維形態，傳統教學和實驗無法反映其化學現象事實的本質，在中學學習過程存在著一定的難度。而信息技術的發展對基礎教育起到了重要的作用，為突破化學理論課的難點必定可以發揮其優勢。其中數字化手持技術實驗是計算機和微電子技術相結合的新型數字化實驗手段（簡稱手持技術），集數據采集分析于一體，具有便攜性、智能性、開放性等特點，不同傳感器對數據的采集的直觀性和準確性，結合實時繪圖功能，對學生理解抽象的理論知識和解釋圖像的能力提供了定量的實驗支持，為化學理論課堂落實化學核心素提供了很大的幫助。

通過對手持技術在中學化學日常教學中的應用，尤其是中學化學理論課中對化學核心素養的落實有一些應用心得，筆者將根據幾種常見的不同傳感器在不同課例中的應用來探討手持技術在化學理論課發揮的作用。實驗用傳感器是朗威數字化信息系統實驗室數據采集器V8.0及其傳感器。

一、從粗略到精細的探究過程：pH傳感器在實際課堂中的應用

以理論課鹽類水解為例，傳統教學中以有色的氯化鐵溶液為實驗溶液，采用改變濃度和溫度的條件來探究鹽類水解的本質，傳統實驗是以觀察顏色變化和pH計來測量pH值的變化，來研究鹽類的水解，實驗中只能定性的研究平衡的移動，研究的結果存在著顏色變化不明顯，pH變化不夠精確，沒有體驗平衡移動的過程等實際問題。此實驗中引入手持技術中pH傳感器可以得到pH-時間關系曲線來觀察精確pH變化來感受平衡移動過程。

實驗一：取20mL0.1mol/L氯化鐵溶液于燒杯中并不斷攪拌，加熱溶液，根據pH采集器得到pH-時間關系曲線圖1，形象描述受溫度影響時氫離子濃度變化，溫度升高氫離子濃度增大，水解被促進，得到平衡正向移動的結論。

實驗二：取20mL0.1mol/L氯化鐵溶液于燒杯中并不斷攪拌，向溶液中滴加數滴1mol/L氫氧化鈉溶液，根據pH采集器得到pH-時間關系曲線圖2，形象體現因初始加入鹽酸氫離子濃度瞬間減小pH增大，后平衡向正向移動氫離子濃度增大pH減小，但pH大于初始pH。

實驗三：取20mL0.1mol/L氯化鐵溶液于燒杯中并不斷攪拌，向溶液中滴加數滴1mol/L鹽酸溶液，根據pH采集器得到pH-時間關系曲線圖3，形象體現因初始加入鹽酸氫離子濃度瞬間增大pH減小，后平衡向逆向移動氫離子濃度減小pH增大，但pH小于初始pH。

以上三個實驗可以清晰地感受到氫離子濃度變化后受平衡影響發生移動的過程，對學生理解勒夏特列原理，鹽類水解的本質有了直觀的了解。

手持技術的引入，讓學生認識實現從宏觀辨識到微觀探析，從粗略的定性實驗觀察到精確定量實驗數據分析來深入理解鹽類水解的實質和影響因素，不僅突破了化學理論抽象的問題，幫助學生宏微結合視角進行分析，體驗嚴謹的科學探究，進一步認識化學變化是有限度可調控的，使化學核心素養得到落實。

二、從無形到有形感受過程：電導率傳感器在實際課堂中的應用

以理論課“強電解質和弱電解質”為例，如何來判斷完全電離和部分電離的定義，以及溶液離子濃度的大小，傳統實驗利用同濃度溶液通電使電燈發光的強弱來判斷，存在亮度判斷以及實驗設備較復雜的情況。通過電導率傳感器對溶液導電能力的判斷，得到電導率-時間曲線可以很好的判斷溶液離子濃度的大小，更清晰地理解強電解質和弱電解質的定義。

實驗一：各取20mL0.2mol/L氨水和0.1mol/LBa（OH）2測定其電導率，得到電導率為1.1646mS/cm與16.432mS/cm定量的體現強弱電解質的區別;

實驗二：用0.1mol/L稀硫酸滴定20mL0.1mol/L氫氧化鋇溶液，邊滴定邊攪拌，觀察電導率的變化，得到電導率-時間曲線圖4，直觀地表現出離子濃度先減小后增大的趨勢，很好的解釋了Ba（OH）2+H2SO4==BaSO4↓+2H2O溶液中強電解質溶質變化從而出現離子濃度變化的趨勢;

實驗三：用0.2mol/L醋酸滴定20mL0.2mol/L氨水溶液，邊滴定邊攪拌，觀察電導率的變化，得到電導率-時間曲線圖5，可以實際看到實驗過程表現出離子濃度先增大后略減小，很好解釋了NH3·H2O+CH3COOH==CH3COONH4+H2O從弱電解質生成強電解質離子濃度的變化趨勢，曲線圖4和曲線圖5兩幅圖的比較能夠加深強電解質和弱電解質的區別，加深其理解和應用。

手持技術的應用對化學學科中無法以實驗現象來解釋的實驗得以實現，從實際數據為依據出發，推理出科學理論的正確性，落實學生嚴謹求學的態度。

三、從知識告知到數據體會結論：其他傳感器的應用

（一）認識原電池化學能轉化為電能中利用鹽橋可以使電流更穩定，無法通過傳統實驗實現，往往簡單告知其作用，無法切身體會到結論，而通過電流傳感器的實驗采集，可以觀察到電流-時間曲線并且形象地體現出來。例如：Zn|稀硫酸|Cu原電池的電流-時間曲線圖6;Zn|ZnSO4‖CuSO4|Cu飽和氯化鉀+瓊脂做鹽橋原電池，得到電流-時間曲線圖7。直觀體現雙池鹽橋原電池電流的穩定性。

（二）研究金屬電化學腐蝕中壓強傳感器、氧氣濃度傳感器在電化學腐蝕中的應用，傳統實驗中針對反應過程中通過液面的變化來判斷壓強的變化，變化程度和實驗誤差較大，過程不容易觀察，通過壓強傳感器和氧氣濃度傳感器的采集，得到壓強-時間曲線圖8和氧氣%-時間曲線圖9。可以讓學生更直觀地認識到電化學腐蝕過程中氧氣的作用，尤其是吸氧腐蝕的理解，不是停留在教師告知的階段，而是以實驗事實為依據。

相同傳感器的應用案例就不一一列舉，其他類型的傳感器的應用也需要慢慢積累，總之借助傳感器技術能實時收集數據的特點，通過直觀地觀察變量，學生更容易理解實驗的微觀原理及其本質，如利用實時繪圖技術（傳感器技術）的探究實驗教學，證實該教學方法比傳統實驗教學的效果更好，學生解釋圖像的能力顯著提高。整個過程培養學生科學探究意識，宏微結合思想以及證據推理的能力，與傳統教學相比可以將微觀變化以圖像形式表達，突破理論課的難點，讓學生感受真實的化學變化，很好落實了核心素養。

參考文獻

[1]陳家寶，鹿鈺鋒，史青青.利用傳感器探究NaHCO3溶液的穩定性[J].實驗教學與儀器，2020，v.37;No.392（12）：36-37.

[2]侯之光.數字化手持技術在高中化學教學中的應用[J].現代鹽化工，2020，v.47;No.196（06）：149-150.

[3]賀冬順.“弱電解質的電離平衡”教學設計[J].中學化學教學參考，2020，528（20）：39-40.

[4]馬善恒，王后雄，劉正宇.中學化學手持技術數字化實驗研究的演進及展望[J].化學教育（中英文），2020，41（17）：112.

[5]崔立斌，張國婷，王素利，等.新高考背景下信息技術融入高中化學教學的策略[J].河北北方學院學報（社會科學版），2020，v.36;No.185（04）：110-112.